Studiet bruger termodynamik til at beskrive udvidelsen af ​​universet

Ideen om, at universet udvider sig, stammer fra næsten et århundrede siden. Det blev først fremsat af den belgiske kosmolog Georges Lemaître (1894-1966) i 1927 og bekræftet observationsmæssigt af den amerikanske astronom Edwin Hubble (1889-1953) to år senere. Hubble observerede, at rødforskydningen i det elektromagnetiske spektrum af lyset modtaget fra himmellegemer var direkte proportional med deres afstand fra Jorden, hvilket betød, at kroppe længere væk fra Jorden bevægede sig hurtigere væk, og universet må udvide sig.

En overraskende ny ingrediens blev føjet til modellen i 1998, da observationer af meget fjerne supernovaer af Supernova Cosmology Project og High-Z Supernova Search Team viste, at universet accelererer, mens det udvider sig, snarere end at blive bremset af gravitationskræfter, som var blevet formodet. Denne opdagelse førte til konceptet mørk energi, som menes at tegne sig for mere end 68 % af al energien i det aktuelt observerbare univers, mens mørkt stof og almindeligt stof står for henholdsvis omkring 27 % og 5 %.

"Målinger af rødforskydning tyder på, at den accelererende ekspansion er adiabatisk [uden varmeoverførsel] og anisotropisk [varierende i størrelse, når den måles i forskellige retninger]," sagde Mariano de Souza, professor ved Institut for Fysik ved São Paulo State University (UNESP) i Rio Claro, Brasilien. "Grundlæggende begreber inden for termodynamik giver os mulighed for at udlede, at adiabatisk ekspansion altid ledsages af afkøling på grund af den barokaloriske effekt [trykinduceret termisk ændring], som er kvantificeret af Grüneisen-forholdet [Γ, gamma]."

I 1908 foreslog den tyske fysiker Eduard August Grüneisen (1877–1949) et matematisk udtryk for Γ_eff , den effektive Grüneisen-parameter, en vigtig størrelse inden for geofysik, der ofte forekommer i ligninger, der beskriver materialets termoelastiske opførsel. Den kombinerer tre fysiske egenskaber:ekspansionskoefficient, specifik varme og isotermisk kompressibilitet.

Næsten et århundrede senere, i 2003, demonstrerede Lijun Zhu og samarbejdspartnere, at en specifik del af Grüneisen-parameteren kaldet Grüneisen-forholdet, defineret som forholdet mellem termisk udvidelse og specifik varme, stiger betydeligt i nærheden af ​​et kvantekritisk punkt på grund af akkumulering af entropi. I 2010 viste Souza og to tyske samarbejdspartnere, at det samme sker i nærheden af ​​et kritisk punkt med begrænset temperatur.

Nu har Souza og andre forskere ved UNESP brugt Grüneisen-parameteren til at beskrive indviklede aspekter af universets udvidelse i en artikel publiceret i tidsskriftet Results in Physics , der præsenterer en del af ph.d. forskning af førsteforfatter Lucas Squillante, i øjeblikket postdoc under Souzas supervision.

"Dynamikken forbundet med universets udvidelse er generelt modelleret som en perfekt væske, hvis tilstandsligning er ω =p/ρ, hvor ω [omega] er tilstandsligningen, p er tryk, og ρ [rho] er Selv om ω er meget brugt, var dens fysiske betydning endnu ikke blevet behandlet som en konstant for hver æra af universet Grüneisen-parameter ved hjælp af Mie-Grüneisen-statsligningen," sagde Souza.

Mie-Grüneisen-tilstandsligningen vedrører tryk, volumen og temperatur og bruges ofte til at bestemme trykket i et stødkomprimeret fast stof.

Forfatterne viser ved hjælp af Grüneisen-parameteren, at kontinuerlig afkøling af universet er forbundet med en barokalorisk effekt, der relaterer tryk og temperatur og opstår på grund af universets adiabatiske udvidelse. På dette grundlag foreslår de, at Grüneisen-parameteren er tidsafhængig i den mørke energidominerede æra (den nuværende universæra).

Et af de interessante aspekter af denne forskning er dens brug af termodynamik og faststoffysiske begreber som stress og belastning til at beskrive universets anisotropiske udvidelse. "Vi viser, at Grüneisen-parameteren naturligt er inkorporeret i energi-momentumspændingstensoren i Einsteins berømte feltligninger, hvilket åbner op for en ny måde at undersøge anisotrope effekter forbundet med universets udvidelse. Disse udelukker ikke muligheden for en Big Rip," sagde Souza.

The Big Rip-hypotesen blev først fremsat i 2003 i en artikel offentliggjort i Physical Review Letters , hævder, at hvis mængden af ​​mørk energi er tilstrækkelig til at accelerere udvidelsen af ​​universet ud over en kritisk hastighed, kan dette rive rumtidens "stof" og rive universet fra hinanden.

"Også i perspektivet af Grüneisen-parameteren antager vi, at skiftet fra et decelererende ekspansionsregime [i de strålings- og stofdominerede epoker] til et accelererende ekspansionsregime [i den mørke energidominerede æra] ligner en termodynamisk faseovergang. Dette skyldes, at Γ_eff skifter fortegn, når ekspansionen skifter fra decelererende til accelererende. Tegnændringen ligner den typiske signatur af faseovergange i fysik af kondenseret stof," sagde Souza.

Mørk energi er ofte forbundet med den kosmologiske konstant Λ [lambda], oprindeligt introduceret af Einstein i 1917 som en frastødende kraft, der kræves for at holde universet i statisk ligevægt. Einstein afviste senere konceptet ifølge nogle beretninger. Det blev rehabiliteret, da udvidelsen af ​​universet viste sig at accelerere i stedet for at aftage. Den hegemoniske model, kendt som Λ-CMD (Lambda-Cold Dark Matter), giver den kosmologiske konstant en fast værdi. Det vil sige, at den antager, at tætheden af ​​mørk energi forbliver konstant, når universet udvider sig. Andre modeller antager dog, at tætheden af ​​mørk energi, og dermed Λ, varierer over tid.

"At tildele en fast værdi til lambda betyder også at tildele en fast værdi til omega, men anerkendelse af ω som den effektive Grüneisen-parameter gør os i stand til at udlede tidsafhængighed for ω, når universet udvider sig i den mørke energidominerede æra. Dette medfører direkte tidsafhængighed. for Λ eller den universelle gravitationskonstant," sagde Souza.

Undersøgelsen kan føre til vigtige udviklinger, for så vidt som den giver et glimt af en ny fortolkning af universets udvidelse med hensyn til termodynamik og fysik af kondenseret stof.

Udover Souza og Squillante er de andre medforfattere til artiklen Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira), Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro), Gabriel Gomes (Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences, University of São Paulo, IAG -USP), Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro), og Ph.D. kandidat Isys Mello, overvåget af Souza.

Flere oplysninger: Lucas Squillante et al., Udforskning af universets udvidelse ved hjælp af Grüneisen-parameteren, Results in Physics (2024). DOI:10.1016/j.rinp.2024.107344

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af FAPESP